學(xué)子專區(qū)—ADALM2000實(shí)驗(yàn)：源極跟隨器(NMOS)

作者：ADI 公司 Doug Mercer，顧問研究員；Antoniu Miclaus，系統(tǒng)應(yīng)用工程師

目標(biāo)

本次實(shí)驗(yàn)的目的是研究簡(jiǎn)單的NMOS源極跟隨器，有時(shí)也稱為共漏極配置。

材料

• ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊
• 無(wú)焊面包板
• 跳線
• 一個(gè)2.2 kΩ電阻（RL）
• 一個(gè)小信號(hào)NMOS晶體管（M1采用增強(qiáng)模式CD4007或ZVN2110A）

說明

面包板連接如圖1和圖2所示。波形發(fā)生器W1的輸出連接至M1的柵極端子。示波器輸入1+（單端）也連接至W1輸出。漏極端子連接至正極（Vp）電源。源極端子連接至2.2 kΩ負(fù)載電阻和示波器輸入2+（單端）。負(fù)載電阻的另一端連接至負(fù)極（Vn）電源。要測(cè)量輸入-輸出誤差，可以將2+連接至M1的柵極，2–連接至源極，以顯示示波器通道2的差值。

圖1.源極跟隨器

硬件設(shè)置

波形發(fā)生器配置為1 kHz正弦波，峰峰值幅度為2 V，偏移為0。示波器通道2的單端輸入（2+）用于測(cè)量源極的電壓。示波器配置為連接通道1+以顯示AWG發(fā)生器輸出。在測(cè)量輸入-輸出誤差時(shí)，應(yīng)連接示波器的通道2，以顯示2+和2–之間的差值。

圖2.源極跟隨器面包板電路

程序步驟

配置示波器以捕獲所測(cè)量的兩個(gè)信號(hào)的多個(gè)周期。產(chǎn)生的波形如圖3所示。

圖3.源極跟隨器的輸入和輸出波形

源極跟隨器的增益（VOUT/VIN）理想值為1，但總是略小于1。增益由以下公式1計(jì)算得出：

從公式可以看出，要獲得接近1的增益，我們可以增大RL或減小rs。也可以看出，rs是ID的函數(shù)，ID增大，rs會(huì)減小。此外，從電路可以看出，ID與RL相關(guān)，如果RL增大，ID會(huì)減小。在簡(jiǎn)單的電阻負(fù)載發(fā)射極跟隨器中，這兩種效應(yīng)相互抵消。所以，要優(yōu)化跟隨器的增益，我們需要找到能在不影響另一方的情況下降低rs或增大RL的方法。需要注意的是，在MOS晶體管中，ID = Is （IG = 0）。

其中，K = μnCox/2，λ可以認(rèn)為是與工藝技術(shù)相關(guān)的常數(shù)。

從另一個(gè)角度來看，因?yàn)榫w管Vth本身的DC偏移，在預(yù)期的擺幅內(nèi)輸入和輸出之間的差值應(yīng)是恒定的。受簡(jiǎn)單的電阻負(fù)載RL影響，漏電流ID會(huì)隨著輸出上下擺動(dòng)而升高和降低。我們知道ID是VGS的函數(shù)（平方關(guān)系）。以+1 V至-1 V的擺幅為例，最小ID = 1 V/2.2 kΩ或0.45 mA，最大ID = 6 V/2.2 kΩ或2.7 mA。因此VGS會(huì)發(fā)生明顯變化。根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們能從一個(gè)方面改善源極跟隨器。

現(xiàn)在可以使用先前學(xué)子專區(qū)實(shí)驗(yàn)中的電流鏡來代替源負(fù)載電阻，以使放大器晶體管的源極電流固定不變。電流鏡能在寬電壓范圍內(nèi)獲取較為恒定的電流。晶體管中這種較為恒定的電流會(huì)導(dǎo)致VGS相當(dāng)恒定。從另一個(gè)角度來看，電流鏡中極高的輸出電阻可以有效提高RL，但rs保持為電流設(shè)定的低值。

加強(qiáng)源極跟隨器

附加材料

• 一個(gè)3.2 kΩ電阻（將1 kΩ和2.2 kΩ電阻串聯(lián)）
• 一個(gè)小信號(hào)NMOS晶體管（M1采用ZVN2110A）
• 兩個(gè)小信號(hào)NMOS晶體管（M2和M3采用CD4007）

說明

面包板連接如圖4和圖5所示。

圖4.加強(qiáng)源極跟隨器。

硬件設(shè)置

波形發(fā)生器配置為1 kHz正弦波，峰峰值幅度為2 V，偏移為0。示波器通道2的單端輸入（2+）用于測(cè)量源極的電壓。示波器配置為連接通道1+以顯示AWG發(fā)生器輸出。在測(cè)量輸入-輸出誤差時(shí)，應(yīng)連接示波器的通道2，以顯示2+和2–之間的差值。

圖5.加強(qiáng)源極跟隨器面包板電路

程序步驟

配置示波器以捕獲所測(cè)量的兩個(gè)信號(hào)的多個(gè)周期。產(chǎn)生的波形如圖6所示。

圖6.加強(qiáng)源極跟隨器波形

源極跟隨器輸出阻抗

目標(biāo)

源極跟隨器的一個(gè)重要方面是提供功率或電流增益，即從高電阻（阻抗）級(jí)驅(qū)動(dòng)低電阻（阻抗）負(fù)載。因此，測(cè)量源極跟隨器的輸出阻抗具有指導(dǎo)意義。

材料

• 一個(gè)4.7 kΩ電阻
• 一個(gè)10 kΩ電阻
• 一個(gè)小信號(hào)NMOS晶體管（M1采用CD4007或ZVN2110A）

說明

圖7和圖8中的電路配置增加了一個(gè)電阻R2，將來自AWG1的測(cè)試信號(hào)注入M1的發(fā)射極（輸出）。輸入端（M1的基極）接地。

圖7.輸出阻抗測(cè)試

圖8.輸出阻抗測(cè)試面包板電路

硬件設(shè)置

波形發(fā)生器配置為1 kHz正弦波，峰峰值幅度為2 V，偏移為減去M1的VGS（約為–V）。這會(huì)將±0.1 mA （1 V/10 kΩ）電流注入M1的源極。示波器輸入2+測(cè)量源極電壓的變化。

程序步驟

繪制在源極處測(cè)得的電壓幅度。配置示波器以捕獲所測(cè)量的兩個(gè)信號(hào)的多個(gè)周期。產(chǎn)生的波形如圖9所示。

圖9.輸出阻抗測(cè)試波形

問題：

您能簡(jiǎn)要描述兩種提高源極跟隨器增益（接近1）的方法嗎？

您可以在學(xué)子專區(qū)博客上找到問題答案。

作者簡(jiǎn)介

Doug Mercer于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學(xué)院（RPI），獲電子工程學(xué)士學(xué)位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻(xiàn)了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，并擁有13項(xiàng)專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉(zhuǎn)型，并繼續(xù)以名譽(yù)研究員身份擔(dān)任ADI顧問，為“主動(dòng)學(xué)習(xí)計(jì)劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。聯(lián)系方式：doug.mercer@analog.com。

Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，從事ADI教學(xué)項(xiàng)目工作，同時(shí)為Circuits from the Lab?、QA自動(dòng)化和流程管理開發(fā)嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前是貝碧思鮑耶大學(xué)軟件工程碩士項(xiàng)目的理學(xué)碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。